电荷泵的常见应用

电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器,利用电容器为储能元件,多半用来产生比输入电压大的输出电压,或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高,约为90-95%,而电路也相当的简单。
 
电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如,可以配合二阶段的循环,用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段,电容器连接到电源端,因此充电到和电源相同的电压,在第一阶段会调整电路组态,使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应,也假设没有负载,其输出电压会是输入电压的两倍(原始的电源电压加上电容器两端的电压)。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。
 
"电荷泵"一词也有用在锁相环(PLL)电路中,不过作用不同。锁相环中的电荷泵只是双极性的切换式电流源,因此可以输出正负交换的电流脉冲给锁相环的滤波电路,但其电压只能在电源和地点之间,无法产生超过电源或低于地点的电压。
 
电荷泵常见的应用是RS-232信号转换IC,可以从单一的5V或3V电源供应器产生正负电压(多半是+10V及-10V)。
 
电荷泵也可以用在LCD或是白光LED的驱动电路,从单一电源(例如电池)产生高偏压的电压。
 
电荷泵广泛应用在NMOS的内存及微处理器中,用来产生连接到IC基层(Substrate)的负电压VBB(约-3V)。这可以确保N+至基层的结点(junction)都有3V甚至更高的逆向偏压,可以降低结点电容,并且提升电路的速度。
 
到2007年为止,几乎所有的EEPROM及快闪存储器(flash memory)都已整合了电荷泵电路。这类的芯片在记忆单元写入新的值前,需要用高电压的脉冲先清除该区块已有的资料。早期的EEPROM及快闪存储器需要二种电源:用来读取资料的+5V以及用来清除资料的+12V。截至2007年,市面上可购得的EEPROM及快闪存储器都只需要一组电源,多半是1.8V或3.3V。而清除记忆区块需要的高电压则由芯片中的电荷泵自行产生。
 
在由n通道的功率MOSFET或绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成的H桥电路中,电荷泵也用在H桥high side功率元件的栅极驱动器上。当H桥其中一只中心点为低电压时,会经由二极管向电容器充电,之后充电的电荷会来让high side的栅极比电源电压高一些,好让功率元件导通。假设H桥正常切换的情形下,上述的作法可以正常工作,免去了另一个独立的电源供应器,也让开关可以使用效率更好的n通道元件。这种电路(需要周期切换high side功率元件)也称为bootstrap电路,有时也和电荷泵电路会有些差异。
 
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